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力传感器原理、组成分类及力传感器在汽车安全实验与机器人行业的应用

供稿:中国工控网 2016/6/27 14:36:46

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  • 关键词: 力传感器
  • 摘要:本文详细介绍了力传感器(force sensor)的原理组成和在汽车安全实验及机器人行业的应用

什么是力传感器

力传感器(force sensor) 将力的量值转换为相关电信号的器件。力是引起物质运动变化的直接原因。力传感器能检测张力、拉力、压力、重量、扭矩、内应力和应变等力学量。具体的器件有金属应变片、压力传感器等,在动力设备、工程机械、各类工作母机和工业自动化系统中,成为不可缺少的核心部件。

力传感器组成

力传感器主要由三个部分组成:

1---力敏元件(即弹性体,常见的材料有铝合金,合金钢和不锈钢)。

2---转换元件(最为常见的是电阻应变片)。

3---电路部分(一般有漆包线,pcb板等)。

力传感器分类

力能够产生多种物理效应,可采用多种不同的原理和工艺,针对不同的需要设计制造力传感器。力传感器主要有:

1被测力使弹性体(如弹簧、梁、波纹管、膜片等)产生相应的位移,通过位移的测量获得力的信号。

(2)弹性构件和应变片共同构成传感器,应变片牢固粘贴在构件表面上。弹性构件受力时产生形变,使应变片电阻值变化(发生应变时,应变片几何形状和电阻率发生改变,导致电阻值变化),通过电阻测量获得力的信号。应变片可由金属箔制成,也可由半导体材料制成。

(3)利用压电效应测力。通过压电晶体把力直接转换为置于晶体两面电极上的电位差。

(4)力引起机械谐振系统固有频率变化,通过频率测量获取力的相关信息。

(5)通过电磁力与待测力的平衡,由平衡时相关电磁参数获得力的信息。

如何提高力传感器精度——补偿

温度将会使4个应变片的应变信号(电阻)在相同方向和程度变化。

因为两个正向应变和两个负向应变被列入等式,因此温度将不会产生输出信号。

剩下微小的残余误差可以通过连接到惠斯通电桥上特殊的镍金属来进行修正。

另外,应变片需要进行温度对灵敏度的补偿 (TCS)。等温度变化时,材料的 E 模量 将会降低,导致产生应变。另外,应变片的灵敏度依赖于温度。在高温状况下电阻的补偿将产生更大的压降。这将降低惠斯通电桥的输出信号。

在负载状态下,线性误差 也将产生变化。这可以通过对弹性体材料和结构的优化以及选择精确的测量点来完成。

图 中 列出了补偿方法的总结。除了以上描述的 TKzero 和 TCS,也可以通过调整对线性和灵敏度进行补偿.


 

 

力传感器在汽车安全性能试验中的应用

说起多轴测力传感器,知道的人并不多。不过,很多人都在电视里看到过汽车碰撞实验,通过碰撞模拟人传感器的输出信号来评判汽车的安全性能。可以这么说,没有了多轴测力传感器,碰撞模拟人仅能充当橱窗里的模特,而不能真正发挥作用。


 

汽车安全碰撞试验的模拟人身上会装有测力传感器。


汽车安全性能实验中的测力传感器

在汽车安全实验室里,通常汽车厂家会进行安全性能的实验,让模拟人坐在汽车里,有意地发生碰撞,之后检测模拟人各个部位的加速度、载荷和变形,从而评定出汽车的安全等级。

模拟人大多采用金属与塑料制作,不仅具有和真人一样的外形,还有复杂的脊柱、肋骨和合成肌肉。最重要的是,模拟人身体上遍布着各种各样的多轴测力传感器,为技术人员分析汽车在碰撞瞬间的各项技术数据。一般来说,多轴测力传感器就通过安装在汽车碰撞模拟人的颈部、手部、腿部等不同部位上。

颈部受一定程度的力就会断,大腿受猛烈撞击会骨折等。对测力传感器采集到的各种受力数据以及假人的‘伤情’进行分析,汽车厂家就能据此评定出安全性能等级。


 

带有测力传感器的机器人磨削系统。


测力传感器在机器人行业的应用

此外,目前,有国内团队将多轴测力传感器技术应用到机器人行业,提升了机器人的智能水平。

机器人怎么才能更聪明,一是有视觉,二是有触觉。目前,95%的机器人都有所谓的视觉,如果加了多轴测力传感器,让机器人的手有感知,这样就能大大增强机器人的智能。

 

锐聪Ricon的六维力传感器


另外,多轴测力传感器还能用到诸如普通金属件打磨这类附加值不高的工业场合,例如对有触觉的机器人需求比较大的就是打磨工作。在打磨工作中,粉尘对人体有害,工作强度大且安全事故频发。目前,有国内团队也正打算用多轴测力传感器开发智能磨头,让机器人替代人工打磨,从而让更多的企业用上它。

 


审核编辑(王雪)
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